Біотехнологія

 Основні завдання та напрямки досліджень біотехнології.

Біотехнологія– це комплекс наук,засобів,методів,спрямованих на одержання і використання процесів,клітин,продуктів життєдіяльності організмів у промисловості ( харчовій, легкій, хімічній, будівельній), сільському господарстві (рослинництві, тваринництві), медицині, міському господарстві, кібернетиці, природокористуванні тощо.Наукові дослідження сучасної біотехнології спрямовані на розробку методів і спеціальних виробничих технологій для різних галузей діяльності людини. У зв’язку з цим виділяють такі основні розділи як харчова, промислова,ветеринарна, екологічна, медична біотехнології.

   Основні завдання біотехнології пов’язують з вирішенням глобальних цілей сталого розвитку, якими є: подолання бідності й голоду, поліпшення стану охорони здоров’я і якості довкілля, сталий розвиток промисловості й сільського господарства. Сучасні екологічні біотехнології розробляю для пом’якшення наслідків зміни клімату, захисту екосистем і морських ресурсів. Без цього неможливе подолання глобальних продовольчих,енергетичних, сировинних та екологічних проблем, які постання перед людством.

   Основні напрямки досліджень. Напрацювання генної інженерії та трансгені організми можуть бути використані для підвищення продуктивності сільського господарства, розробки вакцин і ліків проти СНІДу, малярії, туберкульозу та інші захворювань. Клітинна інженерія та її методи конструювання клітин застосовують для вирішення багатьох теоретичних проблем біології, в трансплантології, для охорони репродуктивного здоров’я. Сфера діяльності біоінженерії охоплює створення штучних органів для компенсації знижених або втрачених філологічних функції (біологічна інженерія) та молекулярного конструювання речовин із заданими властивостями (білковий інженерії, інженерна ензимологія). Для подолання бідності забезпечення кожної людини достатнім харчуванням, чистою питною водою та засоби санітарії, утилізації токсичних відходів і забруднювальних речовин, створення будівельних матеріалів нового покоління (наприклад біоцементу) розвивають технології мікробіологічного синтезу.

Загострення екологічних проблем стало причиною розвитку біотехнології екологічної інженерії, спрямованої на отримання людиною чистої води,пом’якшення наслідків зміни клімату, збереження морських ресурсів, захист екосистем суходолу. Екологічні біотехнології розв’язують проблеми екологічно чистих джерел енергії, громадського транспорту, створення зелених громадських територій.

Сучасні досягнення біотехнології.

Біотехнологія – це одна з найперспективніших галузей діяльності людини. В най ближчі роки разом з нею будуть швидко розвиватися медицина, енергетика, виробництво сировини й матеріалів, міське й сільське господарство. У багатьох випадках сучасні біотехнології сприяють знаходженню нових розв’язків на стикові різних галузей. Так, виникають і розвиваються біоінформативні, біокібернетичні, біоінженерні технології. З’являються нові матеріали й пристрої – біопаливо, біоцемент, біосорбенти, біосенсори. Для розв’язання багатьох проблем досить часто залучають хімію, фізику, географію.

Сучасні біотехнології розробляють і застосовують на усіх рівнях організації життя. За цим критерієм розрізняють: •нанотехнології – технології наночастинок (наприклад, технології адресної до ставки ліків);

•цитотехнології – клітинні технології (наприклад, вирощування гібридом, отримання білків-інтерферонів, інсуліну, моноклональних антитіл);

•гістотехнології – тканинні технології (наприклад, вирощування штучного м’яса, шкіри, органів для трансплантації);

•ембріотехнології – зародкові технології (наприклад, пересаджування ембріональних стовбурових клітин пуповинної крові для лікування променевої хвороби, репродуктивна технологія екстракорпорального запліднення);

•біоінженерні технології із застосуванням технічного підходу (наприклад, тестування ДНК з використанням біочипів, біопротезування, створення біосенсорів); •біотехнології культивування організмів певних видів (наприклад, клонально го мікророзмноження рослин, вермикультура (розведення дощових черв’яків), технології вирощування печериці двоспорової);

•біотехнології захисту екосистем (наприклад, технології відновлення ґрунтів, руйнування токсичних речовин).

Методи молекулярної генетики як основа учасних біотехнологій

   Молекулярна генетика– це галузь біології, що вивчає молекулярні основи спадковості й мінливості живих організмів і вірусів. Найголовнішими досягненнями молекулярної генетики, які застосовуються в біотехнології, є виокремлення закономірностей організації та збереження генетичного матеріалу (хімічна природа гена, штучний синтез гена, механізми реплікації й репарації ДНК). Молекулярна генетика стала теоретичною основою генної інженерії, метою якої є створення генетичних структур та організмів з новими комбінаціями спадкових ознак.

До найважливіших методів молекулярної генетики, що використовують в біо технології, належать методи:

•метод гібридизації ДНК з використанням ДНК-зондів – визначення фрагментiв ДНК чи РНК з певною генетичною інформацією за допомогою одноланцюжкових комплементарних фрагментів ДНК (ДНК-зондів);

•метод полімеразної ланцюгової реакції – збільшення кількості фрагментів ДНК у біологічному матерiалi;

•метод генетичних маркерів – для ідентифікації фрагментів ДНК за допомогою специфічних нуклеотидних послідовностей з відомою первинною структурою;

•методи перенесення генів за допомогою вірусних векторів чи плазмід.

Для отримання генів, їхнього поєднання з векторами (плазмідами чи вірусами) в генетичній інженерïï використовують ферменти: ревертази (ферменти, які каталізують синтез нитки ДНК на матриці мРНК), рестриктази (ферменти, які розрізають нуклеотидні послідовності у певних місцях), лігази (ферменти, які поєднують нуклеотидні послідовності).

Клітинна інженерія та її досягнення.

   Клітинна інженерія – це галузь науки, завданням якої є створення нових клітин та отримання тканин, органів й організмів з клітинного матеріалу. «Клітинна», тому що маніпуляції здійснюють з окремими клітинами, а «інженерія» – конструюються нові клітини на основі їхньої гібридизації, реконструкції та культивування. Основними методами сучасної клітинної інженерії є:

•метод гібридизації соматичних клітин – поєднання соматичних клітин різних тканин або організмів для отримання нових комбінацій ознак. Соматична гібридизація (грец. soma – тіло) – злиття двох або кількох соматичних клітин (не статевих) в одну загальну клітину. Соматичні гібриди відіграють важливу роль у дослідженні поділу чи переродження клітин;

•метод культури клітин (тканин) – виділення й перенесення клітин з організму на поживні середовища для отримання культури клітин (генетично одно рідні популяції клітин, що ростуть у постійних умовах середовища);

•метод злиття ембріонів на ранніх стадіях – для створення химерних організмів (наприклад, химерних мишей);

•метод клонування організмів – отримання із застосуванням нестатевих способiв розмноження клонів, що складаються з генетично однорідних клітин.

Найвідомішим прикладом досягнень клітинної інженерії є технологiï моноклональних антитіл. Поєднують пухлинні клітини і лімфоцити та отримують гібридоми, що мають властивості обох батьківських клітинних ліній: подібно до ракових клітин вони здатні необмежений час ділитися, подібно до лімфоцитів – синтезувати моноклональні антитіла певної специфічності, які застосовують у медицині.

Основною метою сучасних досліджень клітинної інженерії є технології вирощування органів людини. Вже навіть в Україні розроблені і застосовують у повсякденній практиці технології відновлення судин, вирощування шкіри, кісток, хрящів на основі застосування стовбурових клітин пуповинної крові.

Поєднання клітин різних видів чи різних зародків на ранніх стадіях їхнього розвитку є основою технологій отримання химерних клітин та химерних організмів. Отримання та дослідження химерних клітин (наприклад, гібридних клітин миші й курки, людини й миші) використовують для картування генів, вивчення сумісності тканин під час трансплантації органів, для розуміння причин виникнення пухлин тощо.Химери – організми, у яких тканини складаються із спадково неоднакових клітин або клітинних систем. У природі химери зазвичай виникають унаслідок соматичних мутацій чи порушення мітозу (природні химери, яких називають мозаїками). Штучні химери отримають під час тканинної трансплантації, мутагеннезу,або щеплення.

У фармацевтичній промисловості поширення набули технології рослинних клітинних культур (вирощування маси рослинних клітин використовують, наприклад, Для отримання клітин женьшеню, родіоли рожевої).

У селекції рослин застосування набувають технології клонального мікророзмноження рослин (для оздоровлення та швидкого розмноження рідкісних, цінних та новостворених сортів культурних рослин).

Клонування організмів

   Клонування організмів (грец. klon – гілка) – отримання багатьох ідентичних за формою і функціями генетично однакових нащадків однієї клітини або одного організму. У випадку одноклітинних органiзмiв цей процес є достатньо простим. Однак для клонування багатоклітинних організмів потрібно докласти значно більше зусиль. Крім того, такі клітини розвиваються дуже повільно у звичайних умовах. Основою клонування є явище тотипотентності – здатності однієї клітини багатоклітинного організму давати початок цілому новому організму шляхом поділу. Технологія пересаджування ядер соматичних клітин в яйцеклітину, з якої власне ядро було вилучене, й наступне вирощування та отримання організму набуло широкого застосування як соматичне клонування. У 1996 році генетикам з Рослінгського інституту, що під Единбургом (Шотландія), вдалося створити першу в світі тварину шляхом клонування – легендарну вівцю Доллі. Для цього вчені використали клітину молочної за лози дорослої вівці які донора ядра, з яйцеклітини вилучили власне ядро і замінили ядром клітини молочної залози тієї ж вівці. Потім виростили бластоцисту і пересадили її до матки вівці. І ця вівця народила «доньку» на ім’я Доллі, яка була клоном материнського організму. Була також клонована трансгенна вівця Поллі з активним геном одного з чинників зсідання крові людини, пiд час цього продукт цього гена виділявся з молоком. Під час клонування кіз були створені ГМО, у яких активно працював ген людського тромбіну. Отже, клоновані трансгеннi органiзми можуть служити живим «фармацевтичним заводом», який природним шляхом виробляє речовини, що використовують для лікування захворювань людини.

В клітинній інженерії розрізняють ще ембріональне клонування. Великий науковий інтерес становлять дослiдження з утворенням химерних ембріонів шляхом поєднання бластомерів, взятих із зародкiв рiзних органiзмiв. Вчені вже виростили перші в світі ембріони-химери, що складаються з клітин людини і свині. Ці ембріони можуть допомогти створити технологію вирощування людських органів всередині тварин.

Генетично модифікований організм (ГМО)

Генетично модифіковані організми (трансгенні організми) – організми, які мають у складі свого геному чужорідні гени інших організмів. Генетично модифіковані органiзми стали реальністю з кінця 70-х років, коли з’явилися перші бактерії із вбудованими генами інсуліну. Це була перша спроба використання ГМО задля терапії людини білками-продуктами. Для цього в геном кишкової палички вбудували ген людського інсуліну. В результаті невибагливі й дешеві в утриманні бактерії синтезують людський інсулін, який для людини не є чужорідною речовиною. І ось вже майже 40 років препарати штучного інсуліну активно використовують в усьому світі.

Генетична модифiкацiя вiдрiзняється від природного та штучного мутагенезу спрямованістю змін генотипу. Для цього генетичний матеріал переносять з одного організму в інший, використовуючи технологію рекомбінантних ДНК (рекДНК). Створення рекДНК відбувається завдяки методам молекулярного клонування отриманням багатьох копій молекули ДНК in vivo. При використанні цих вже класичних методів поруч із вбудованим геном, як правило, вставляється маркер. Конструкція з гена і маркера переноситься в клітину господаря, де вбудовується в ДНК. Клітина отримує новий ген і її можна відрізнити за маркером від інших клітин. Зараз Конструкції створюють таким чином, що роботу гена і маркера можна регулювати «вмикати» і «вимикати», видалити маркер з ДНК або обходитися взагалі без нього. Як маркери використовують, наприклад, гени флуоресцентних білків, світіння яких помітне під ультрафіолетом.

Генетично модифіковані організми за переважною більшістю ознак не вiдрiзняються від вихідних форм, не мають відхилень, здатнi до повноцінного розмноження і що є важливим для людини, передають вбудовані в них спадкові характеристики наступним поколінням.

Отримані трансгенні організми вирощують спочатку в лабораторії, потім на дослідних майданчиках, і після серій обов’язкових тестів на безпеку, які тривають протягом декількох років, рекомендують до випуску на ринок.

Широкомасштабне використання трансгенних органiзмiв розпочалося 1996 року. Трансгенні мікроорганізми використовують у різних галузях господарської діяльності людини:

•створені штами метанобактерій, які розщеплюють нафту після техногенних ката строф;

•за участю штамів кишкової палички отримують кормові білки, інсулін, інтерферони;

•для отримання антибіотиків використовують пеніциліум, стрептоміцети;

•штами молочнокислих бактерій продукують закваски для виготовлення біокефiрiв та біойогуртів та ін.

Для потреб сільського господарства, медицини, садівництва створені трансгенні рослини, серед яких переважають генетично модифiкованi сiльськогосподарські рослини: соя (54 %), кукурудза (28%), бавовна й ріпак (по 9 %), картопля (до 1 %). Крiм зазначених культур на незначних площах вирощували генетично модифіковані сорти помідорів, гарбуза, тютюну, буряку, льону. Вже створені й проходять випробування та процедуру реєстрації трансгенні сорти рису і пшениці. Завдяки генетичній інженерії отримують культурні сорти, які є стійкими до комах-шкідників сортів рослин, до гербіцидів. Є серед трансгенних рослин і декоративні – для формування естетичних відчуттів, рослини для отримання ліків.

Одним із найважливіших завдань генетичної інженерії є створення трансгенних тварин з підвищеною продуктивністю і стійкістю до захворювань. Створюють тварини-біореактори, які виробляють продукти медичного значення (наприклад, трансгенні корови чи кози для отримання молока із вмістом певних лікувальних речовин). Трансгенні миші в медицині дають важливу інформацію про розвиток захворювань, що дуже важливо під час планування генної терапії у людини. Отримані генетичномодифіковані риби, які використовують для домашнього утримання (наприклад, рибки даніо-пепіо) чи у рибних господарствах. Так, особини європейського лосося із вбудованим в геном гормоном росту значно більші за звичайних і удвічі швидше досягають товарної ваги.